Mémoire - OCL - Université Laval

FABIEN DUPONT
CARACTÉRISATION D'IMPULSIONS COURTES PAR FILTRAGE
SPECTRAL À L'AIDE DE RÉSEAUX DE BRAGG SUPERPOSÉS
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie électrique pour
l'obtention du grade de maître es sciences (M.Sc.)
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
MAI 2006
© Fabien Dupont, 2006

RÉSUMÉ
Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase
spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la
phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence
entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de
Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase
relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale,
le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet
deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas
d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation
expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudo-
aléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en
évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous
expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude
pseudo-aléatoire.
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REMERCIEMENTS
Je remercie ma directrice, la professeure Sophie LaRochelle. Responsable du projet,
elle m'a accueilli dans son laboratoire et a permis la bonne réalisation des travaux
scientifiques présentés dans ce mémoire.
Je tiens à remercier les chercheurs qui ont été directement liés à l'avancement des
travaux en collaboration avec le laboratoire. À cet effet, je remercie le Dr Radan Slavfk, de
l'Institute of Radio Engineering and Electronics de l'Académie des Sciences de République
Tchèque, dont l'aide technique a été indispensable pour la réalisation des réseaux de Bragg
superposés, et pour commencer le projet. Je remercie aussi le Dr Pascal Kockaert, de
l'Université Libre de Bruxelles en Belgique, ainsi que le professeur José Azana, de l'Institut
National de Recherche Scientifique à Montréal, pour leurs idées novatrices et les discussions
scientifiques sur le projet.
Je remercie Marco Béland, technicien expert du département, pour la réalisation du
support mécanique. Merci également à Yves Rouleau et Philippe Chrétien, techniciens en
travaux d'enseignement et de recherche.
Je remercie également tous ceux qui ont participé à ce projet au travers de
discussions pertinentes. Je souligne les conseils avisés de Serge Doucet, Dr Martin Rochette
Simon Ayotte, Julien Magné, Guillaume Brochu, Marco Sisto, Nezih Belhadj, Jean-Noël
Maran, Dr Suresh Pereira, Martin Allard, et du Dr Philippe Giaccari. Enfin, le laboratoire ne
serait pas le même sans la présence d'Amélie Têtu, de Chrystelle Juignet, François Fasquelle,
et de Julien Penon. Les remerciements dans le cadre de la maîtrise sont de toute évidence
insuffisants pour les remercier de leur présence et de leur soutien tant au laboratoire qu'en
dehors.
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TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ 2
REMERCIEMENTS 3
TABLE DES MATIÈRES 4
TABLE DES FIGURES 7
INTRODUCTION 10
1 DÉTERMINATION DE LA PHASE DES COMPOSANTES SPECTRALES
DE TRAINS D'IMPULSIONS COURTES 12
1.1 Méthodes existantes de caractérisation d'impulsions brèves 13
1.1.1 Méthode en espace libre basée sur les effets optiques non linéaires 13
1.1.2 Méthode en espace libre utilisant le battement de deux composantes
spectrales et un effet optique non linéaire 14
1.1.3 Méthode tout-fibre utilisant le battement de deux composantes spectrales
sans recourir à un effet optique non linéaire 14
1.1.4 Avantages de la méthode fibrée par rapport à la méthode en espace libre... 17
1.2 Nouvelle méthode pour caractériser la phase de trains d'impulsions courtes
à faible taux de répétition 17
1.2.1 Motivation de la nouvelle méthode 17
1.2.2 Principe de la mesure 18
1.2.3 Application de la méthode de mesure à des trains d'impulsions courtes 21
1.3 Paramètres requis pour la nouvelle méthode 22
1.3.1 Design d'un filtre optique pour la méthode de mesure utilisée dans une
nouvelle configuration 23
1.3.2 Définition des trains d'impulsions courtes à faible taux de répétition 25
1.4 Synthèse 26
2 DESCRIPTION DES FABRY-PEROT DISTRIBUÉS 27
2.1 Structure Fabry-Perot distribuée fibrée 28
2.1.1 Principe de base 28
2.1.2 Expression de l'intervalle spectral libre et de la finesse 29
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2.1.3 Influence de la biréfringence photo-induite 30
2.2 Étude mathématique des réseaux superposés 31
2.2.1 Equivalent de la structure Fabry-Perot distribuée 32
2.2.2 Calcul numérique du signal de battement 33
2.2.3 Calcul analytique du signal de battement 33
2.3 Écriture des réseaux de Bragg 35
2.3.1 Conception des réseaux de Bragg superposés 35
2.3.2 Caractérisation du filtre optique 35
2.4 Synthèse 40
3 MONTAGE EXPÉRIMENTAL 41
3.1 Présentation du montage expérimental 42
3.2 Émission des trains d'impulsions 44
3.2.1 Densité spectrale de puissance en amplitude 44
3.2.2 Phase du signal laser incident 45
3.3 Filtrage du signal et détection 45
3.3.1 Perte de puissance au passage de la structure Fabry-Perot distribuée 45
3.3.2 Ajustement de la position centrale du filtre optique 46
3.3.3 Détection du signal de battement 47
3.4 Synthèse 47
4 ANALYSE DES RÉSULTATS POUR UNE SOURCE IMPULSIONNELLE 48
4.1 Étude du signal de battement 49
4.1.1 Signal de battement expérimental 49
4.1.2 Influence de la polarisation 52
4.2 Validation expérimentale du principe de mesure 54
4.2.1 Évolution du signal de battement en fonction de la position du filtre 55
4.2.2 Délai de groupe du signal de battement 60
4.2.3 Déduction du profil de la phase incidente au filtre 61
4.3 Limitations de la méthode 62
4.3.1 Résolution pour une mesure de dispersion 63
4.3.2 Résolution pour une mesure de « chirp » 65
4.3.3 Évolution théorique du signal de battement en présence d'un saut de phase
discret du composant à tester 66
4.4 Synthèse 67
5 SIMULATION NUMÉRIQUE POUR DES SIGNAUX DE MODULATION
PSEUDO-ALÉATOIRE 68
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